摘 要

机制砂是天然岩石破碎过程中产生的副产品，由于天然砂资源的日渐匮乏，为了缓解日益严重的“砂荒”现象，以及废弃资源的再利用，本文主要研究如何利用机制砂全部取代天然砂制备自流平干混砂浆。但是由于机制砂颗粒形状不规则、级配不合理、含有大量的石粉等原因，并不能直接的运用于自流平干混砂浆。本文通过二级配法成功配制出了级配合理的机制砂，并通过正交试验研究胶材的合适比例，以及通过单掺、复掺的形式研究各种外加剂对机制砂自流平干混砂浆流动性能、强度、抗裂性能等的改善，制备出了性能稳定的机制砂自流平干混砂浆。研究表明：

(1)采用二级配方法配制的粒径在1.18mm以下的机制砂，相比同粒径范围的的天然级配砂制备的自流平砂浆，砂浆流动度降低的并不显著，但用机制砂制备出来的机制砂自流平干混砂浆强度普遍高于天然河砂自流平干混砂浆；

(2)聚羧酸减水剂可以有效的降低水的用量，在低水灰比的条件下依然可以保证机制砂自流平干混砂浆的流动性能；

(3)使用复合增稠剂可以提升砂浆的匀质性，可以使砂浆在掺入减水剂后不离析分层，并能兼顾砂浆的流动度与保水性；

(4)采用超细水泥、硅灰取代部分普硅水泥以及添加早强剂的方法都可以有效地提升砂浆的早期强度；

(5)调整胶材组分可以提升机制砂自流平干混砂浆早期的收缩效应，具有一定的降低开裂风险的能力。除此之外，膨胀剂与可再分散乳胶粉按一定比例复掺可以显著提升机制砂自流平干混砂浆的抗裂性能，使得砂浆在表征开裂的大板实验中不出现裂纹。

关键词：机制砂；自流平砂浆；流动性；早强；抗裂性

Abstract

Manufactured sand is a by-product of natural rock when it was crushed. Due to the increasing scarcity of natural sand resources, in order to alleviate the increasingly serious phenomenon of “sand shortage” and also aim to recycle discarded resources. In this paper, dry-mixed self-leveling mortar is produced from the manufactured sand. However, due to the irregular shape of the manufactured sand particles, unreasonable gradation and a large amount of stone powder, it cannot be directly applied to the dry-mixed self-leveling mortar. In this paper, a well-distributed manufactured sand which can be reasonably used in self-leveling dry-mixed mortar was successfully prepared by the secondary compounding method. the suitable proportion of the cementing materials like superfine cement, fly fume, stone powder is studied by orthogonal test, and the suitable dosage of chemical admixture is analyzed by single-mixing and double-mixing. Hence we finally found the right way to improve the fluidity, the strength and crack resistance of manufactured sand dry-mixed self-leveling mortar. Here comes the main results of our research:

1. The research shows that the manufactured sand with the particle size below 1.18mm configured by the secondary compounding method is not particularly obvious when compared with the natural river sand in fluidity, but the strength of dry-mixed self-leveling mortar which was prepared by manufactured sand is generally higher than that of ordinary self-leveling dry mortar.
2. Polycarboxylate superplasticizer can dramatically improve the fluidity of the dry-mixed manufactured sand self-leveling mortar even in low w/c ratio.
3. The mixing of the thickener can well balance the homogeneity of the mortar, ensure that the mortar does not delamination, and at the same time balance the fluidity and water retention.
4. Replace some Portland cement with superfine cement or silica fume and the method of adding early strength agent can effectively improve the early strength of the dry-mixed manufactured sand self-leveling mortar.
5. Adjusting the proportion of cementing materials can enhance the effect of slight expansion of the dry-mixed manufactured sand self-leveling mortar in early age which has some effect to compensate early shrinkage and reduce the risk of flaw-appearing. Except that, double-mixing the expansion agent and redispersible polymer powder in a certain proportion can improve the crack resistance property of the dry-mixed manufactured sand self-leveling mortar. In the large-plate experiment characterizing the crack resistance, the mortar prepared by the scheme does not generate cracks during the hydration process.

Key words: manufactured sand, self-leveling mortar, fluidity, early strength, crack resistance

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2机制砂自流平干混砂浆国内外研究现状 2

1.3 主要研究目的与内容 5

第2章 原材料及实验方法 8

2.1原材料 8

2.2试验方法 10

第3章 机制砂的特性 12

3.1机制砂的颗粒级配对砂浆性能的影响 12

3.2 基础配方设计 14

3.3 本章小结 16

第4章 基于正交试验优化机制砂自流平干混砂浆胶材组分 18

4.1 正交试验优化机制砂自流平干混砂浆流动性 18

4.2 正交试验优化机制砂自流平干混砂浆力学性能 21

4.3 正交试验优化机制砂自流平干混砂浆抗裂性 25

4.4 本章小结 27

第5章 外加剂对机制砂自流平干混砂浆性能的影响 29

5.1 减水剂对机制砂自流平干混砂浆流动性能的影响 29

5.2 自制增稠剂对机制砂自流平干混砂浆性能的影响 30

5.3 可再分散乳胶粉对机制砂自流平干混砂浆性能的影响 32

5.4 早强组分对机制砂自流平干混砂浆早期强度的影响 35

5.4 膨胀剂对机制砂自流平干混砂浆抗裂性能的影响 36

5.5 机制砂自流平干混砂浆工程用配方推荐 37

5.6 本章小结 40

第6章 机理分析 41

6.1 机制砂自流平干混砂浆早强机理分析 41

6.2 机制砂自流平干混砂浆抗裂机理分析 42

6.3本章小结 43

第7章 结论与展望 44

7.1 结论 44

7.2 创新点 45

7.3 经济效益与社会效益 45

7.4 后期展望 46

致谢 47

参考文献 48

第1章 绪论

1.1研究背景

干混砂浆（Dry-mixed mortar）是由经干燥筛分处理的细骨料和胶凝材料、矿物掺合料、化学外加剂等固体材料组成，按照一定的比例配料混合，在施工现场直接加水拌合即可使用的干混拌合物。与现场拌和的砂浆相比，干混砂浆具有优异的保水性、质量稳定等优势，而且在使用过程中基本没有噪音及扬尘，能够缓解日益严峻的环保问题，因此全国各地都在积极推广和使用干混砂浆。自流平干混砂浆（Dry-mixed self-leveling mortar）的研究起步大约在上世纪80年代末，90年代初，并广泛运用于大型超市、地下停车场、学校操场、路面、房屋等大体积工程。但由于其配比复杂以及施工技术的落后，其中，自流平干混砂浆流动度不足，早期强度低，易开裂，耐磨性差等问题更是一直制约着自流平干混砂浆的发展与推广。近些年来对硫铝酸盐、普硅水泥和石膏三元体系的自流平砂浆研究比较火热，但是鉴于该体系自流平砂浆价格高昂，该方案并不利于自流平砂浆的推广与铺开。

长期以来自流平干混砂浆中使用的一直是天然砂（Nature sand），天然砂是由岩石自然风化过程中形成的细小骨料，具有表面光滑、级配良好等优点。但是天然砂资源有限，且短期内不可再生。我国近些年一直在完善基础建设，导致天然砂供不应求，有的地方甚至出现无砂可用的现象。天然砂产地有限，且不易于运送，在一些交通不便的地区，天然砂的价格更是水涨船高。在利益的驱使下，有些地区的人们枉顾国家规定，毁坏山林、田园、河道等过度地发掘天然砂，给当地的生态造成了不可逆转的损害。与此同时石灰岩、石英岩、花岗岩、大理岩、玄武岩、片麻岩等岩石在破碎过程中产生的大量机制砂却无法有效地被使用，造成严重的资源浪费。机制砂（Manufactured sand）是指由机械破碎、筛分而成，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒。研究表明机制砂颗粒有大量棱角，表面粗糙，组分单一且与水泥粘结较好，完全可以取代天然砂运用于自流平干混砂浆。

因此，研究机制砂在自流平干混砂浆的配制和性能是集资源再利用，生态环境保护于一体的。该研究不仅解决了矿厂机制砂堆积无处安放的问题，而且随着天然砂石资源的枯竭，以及国民环保意识的觉醒，机制砂取代天然砂运用于建筑等领域势在必行。因而，不论是从生态环境保护还是从资源再利用，以及对自流平干混砂浆的发展和推广都具有重大的研究意义。

本研究的目的在于配制性能优异的全机制砂自流平干混砂浆，找出一个具有经济价值与社会价值的机制砂自流平干混砂浆配比。从而推动机制砂在自流平干混砂浆中的运用与研究，以便于机制砂自流平干混砂浆的推广和使用。

天然砂 机制砂

1.2机制砂自流平干混砂浆国内外研究现状

1.2.1 机制砂自流平砂浆

国内外自流平砂浆目前使用的细骨料一般还是天然的河砂等表面光滑，颗粒级配好的天然砂。但是随着基础建设对砂浆需求的提升与国内天然砂资源的枯竭，来源广泛且不受地域限制，性能稳定且容易生产的机制砂成为替代天然砂的不二之选。目前对机制砂用于自流平干混砂浆的研究还比较少，郑娟荣等人采用普硅水泥、粗石灰石粉、细石灰石粉、减水剂、机制砂为原材料制备了机制砂自流平干混砂浆^[1]。但是该方案制得的自流平干混砂浆测试流动度的标准并不是使用最新的JCT 985-2017《地面用水泥基自流平砂浆》，因此并不能准确的衡量其设计的全机制砂机制砂自流平干混砂浆的流动性能。并且制备出的砂浆早期强度不足，7d与28d强度也比较低，且未涉及机制砂自流平干混砂浆早期强度以及抗裂性能的研究。目前为止国内外学者对全机制砂的自流平干混砂浆的研究还比较少，有的研究也并非全部按照最新的国家标准测试，且对自流平砂浆普遍关注的早期强度与抗裂性能的研究不够深入。

1.2.2 机制砂特性对自流平砂浆性能的影响

目前国内外的学者研究发现机制砂和天然砂在干混砂浆中的表现不同，机制砂取代天然砂不会影响砂浆的凝结时间，会给砂浆的抗压强度、保水性和拉伸粘结强度等性能带来增益，但机制砂的引入会导致干混砂浆需水量的增大，稠度降低^[2]。同时取代比例的多少也会影响砂浆性能，机制砂替代 50%的天然砂相比全天然砂自流平砂浆可以取得更高的强度^[3]。而且机制砂的形状与石粉含量对砂浆性能也有深远的影响，机制砂颗粒越接近于圆形，石粉含量控制在7%-10%甚至更高，砂浆的流动性越好^[4,5]。根据Weiguo Shen等人的研究，机制砂的形状对砂浆性能的影响较小，机制砂的级配对砂浆强度的影响次于机制砂中石粉含量对砂浆强度的影响，当石粉含量为7.5%时，砂浆的抗折抗压强度最大^[6]。同时，机制砂的颗粒级配对砂浆性能的影响也不容忽视。近年来有研究表明机制砂的细度模数并不能很好地表征机制砂的品质，需要采用二级配法将机制砂按照1.18mm的粒径分为Ⅰ组（粒径≥1.18mm）和Ⅱ组（粒径≤1.18mm）两档，然后按比例配制机制砂的级配。其研究表明当4.75mm、2.36mm、1.18mm三挡的累计筛余控制在2:3:1时混凝土的综合性能最优^[7]。

综上所述，目前国内外学者对机制砂运用于自流平砂浆的研究表明，机制砂对自流平砂浆性能的主要影响因素为机制砂的形状、机制砂颗粒级配与机制砂中的石粉含量。对调整颗粒级配目前比较有效的方法是采用多级级配法，并且机制砂形貌在机制砂粒径较小时对自流平砂浆性能的影响相比颗粒级配与石粉含量小，相关研究也表明机制砂中适当含量的石粉对体系的强度有改善作用。因而对全机制砂在自流平砂浆中的应用首要研究目标还是调整颗粒级配，以及研究机制砂中石粉的合适含量。

1.2.3 掺合料与外加剂对自流平砂浆性能的影响

除此之外，国内外学者还研究了不同的矿物掺合料以及外加剂对自流平干混砂浆性能的影响。对自流平干混砂浆而言首要的性质是其流动性能，因为机制砂的加入，导致同等条件下的干混砂浆流动性降低，而为了在较低水灰比的前提下保证流动性，必须使用减水剂。目前对水泥基自流平干混砂浆体系中比较常用的减水剂为聚羧酸系减水剂，经过董素芬等人的研究，通过加入聚羧酸系减水剂可以有效地改善自流平水泥的流动性和强度，同等条件下达到相同的流动度，随着减水剂掺量从0-1.5%提升，水灰比由0.753降至0.516有效地降低了水的用量，提升了自流平干混砂浆的流动度^[8]。除此之外，可再分散乳胶粉、粉煤灰、保坍剂等掺合料与外加剂也可以改善砂浆的流动性能。研究表明，可再分散乳胶粉是砂浆的一种新型柔性的外加剂，低掺量的可再分散乳胶粉具有减水和引气的作用，可以有效地改善砂浆的流动度。与此同时由于可再分散乳胶粉的成膜作用，可以与浆体的骨架相互嵌套，增强砂浆的内聚力，提升砂浆的抗裂性能。但是当可再分散乳胶粉的掺量过高时，它会有明显的增稠作用^[9]。保坍剂在较低的掺量时也可以适当提升流动度^[10]，同时调整水灰比也是提升流动度的一种方法，然而水的比例增大会引起一系列问题诸如浆体早期强度不足与水化硬化过程干缩加剧等。

随着减水剂的引入，砂浆不可避免会出现离析泌水的现象，为了缓解这一现象保证自流平干混砂浆有较好的匀质性，需要选用增稠剂。目前国内外学者研究的比较多的增稠剂有纤维素醚（MC）与温轮胶（Welun Gum）。Yulin Zhang等人研究温轮胶和纤维素醚作为增稠剂对砂浆性能的影响，表明温轮胶在高水灰比条件下效果更好，而且温轮胶不会对砂浆的抗压强度造成太大的影响^[11]。黄凯研究不同纤维素醚对砂浆流动度、强度、保水性能等影响，研究表明相比于CMC，HPMC对流动性能的削减效果相对较小，但都可以更好地控制泌水现象。除此之外掺HPMC的砂浆流动度经时损失小，且砂浆具有很好的保水性^[12]。

为了提升自流平干混砂浆的早期强度，需要找出有效增强的手段。有学者研究硅灰与粉煤灰复掺，结果表明用8%的硅灰取代水泥，复掺10%机械活化后的粉煤灰可以有效提升强度^[13]。此外，叶东忠等人研究早强剂对掺硅灰体系的砂浆强度的影响，研究表明不同早强剂均可以提升砂浆的早期强度，且对早期强度影响较大，对后期强度影响甚微。且硫酸钠、氯化钙、三乙醇胺三种早强剂对砂浆强度的提升依次降低^[14]。除此之外根据张迎威等人的研究还可以用超细水泥取代部分普硅水泥，以达到增加强度的目的。超细水泥与普硅水泥原材料一样，只是粒径更小，比表面积更大。相比普硅水泥水化更快，稳定性更好^[15]。而且研究表明石灰石粉的加入也可以提升砂浆的早期强度和密实度，提升自流平砂浆的力学性能。石灰石粉是制造机制砂的副产品，作为胶材组分，石灰石粉的使用不仅对砂浆性能优异，还能提升原料的利用率，减少水泥用量，降低成本^[16]。

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